DE1911974A1 - Fuel elements for neutronic nuclear reactors - Google Patents
Fuel elements for neutronic nuclear reactorsInfo
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Description
ALEXANDER R. HERZFELD 6 Frankfurt a,m,wisALEXANDER R. HERZFELD 6 Frankfurt a, m, wis
Anmelder: United States Atomic Energy Commission Washington D. G., USAApplicant: United States Atomic Energy Commission Washington D. G., USA
Brennelemente für neutronische KernreaktorenFuel elements for neutronic nuclear reactors
Die Erfindung betrifft Brennelemente für neutronische Kernreaktoren, insbesondere eine gegebenenfalls entlüftbare, aus einzelnen Brennstiften zusammengesetzte, integrale Brennelementanordnung, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. The invention relates to fuel elements for neutronic nuclear reactors, in particular an integral one that can optionally be vented and is composed of individual fuel pins Fuel assembly and a method for its manufacture.
Brennelemente mit einer Mehrzahl von Brennstiften sind bekannt und in neutronischen Kernreaktoren in grossem Umfang in Gebrauch. Die zur Lagerung der einzelnen Brennstifte in dem Brennelement verwendeten Mittel müssen eine übermässige Erschütterung oder Vibration der Brennstifte.vermeiden und den Druckabfall des Kühlmittelflusses möglichst gering halten. Ferner soll ein einfach herstellbarer Aufbau des Brennelements aus den einzelnen Brennstiften und Lagermitteln möglich sein.Fuel assemblies with a plurality of fuel pins are known and are widely used in neutronic nuclear reactors in use. The storage of the individual fuel pins in The means used for the fuel assembly must avoid excessive shaking or vibration of the fuel pins and keep the pressure drop of the coolant flow as low as possible. Furthermore, a structure of the fuel assembly that is easy to manufacture from the individual fuel pins and bearing means is intended to be possible.
Der Hauptnachteil der bekannten, aus einzelnen Brennstiften zusammengesetzten Brennelemente liegt in der Schwierigkeit ihrer Herstellung. Dies ist in besonderem Masse dann der Fall, wenn die einzelnen Brennstifte zum Abzug der gasförmigen Spaltprodukte entlüftet werden. Die Herstellung derartiger Brennelemente erfordert zahlreiche Arbeitsschritte der Verschweissung oder sonstigen mechanischen Verbindung.The main disadvantage of the known, from individual fuel pins composite fuel assemblies lies in the difficulty of their manufacture. This is especially the case This is the case when the individual fuel pins are vented to remove the gaseous fission products. The production of such Fuel assemblies require numerous work steps of welding or other mechanical connection.
In der USA-Anmeldung, Serial No. 717} 2-56, der Anmelderin wird zur Vereinfachung der Herstellung ein verbessertes Brennelement vorgeschlagen. Jedoch bestehen auch hier noch einige Herstellungsschwierigkeiten, ζ. B. hinsichtlich der Ausrichtung der Rohrstücke während der Verbindung, möglicherweise auftretender Versprödung der Metallumkleidung oder Entstehung von Feinrissen, der Herausarbeitung der verformten Wandteile, des Abschlusses der oberen Rohrenden, insbesondere bei Anwendung des in der Anmeldung offenbarten Eröf|pungsverfahrens. In the United States application, Serial No. 717} 2-56, the applicant an improved one to simplify manufacture Proposed fuel assembly. However, there are still some manufacturing difficulties here, ζ. B. in terms of Alignment of the pipe sections during the connection, possible embrittlement of the metal cladding or Formation of fine cracks, the elaboration of the deformed wall parts, the closure of the upper pipe ends, in particular when using the opening procedure disclosed in the application.
Die Erfindung hat ein leicht herstellbares, gegebenenfalls in einer entlüfteten Anordnung einsetzbares Brennelement des stiftförmigen Typs zur Aufgabe, das insbesondere die Zanl der zur mechanischen Verbindung erforderlichen Arbeitsschritte stark reduziert, eine leichte Ausrichtung der Brennstifte in Reihenform während des Zusammenbaus ermöglicht und gleichzeitig die gemeinsame Entlüftung aller in einer Seihe angeordneten Brennstifte gestattet.The invention has an easily manufactured, possibly in a vented arrangement usable fuel assembly of the pen-shaped type to the task, which in particular the Zanl the work steps required for the mechanical connection are greatly reduced, easy alignment of the Firing pins in a row during assembly allows all of them to be vented together at the same time Also arranged burning pens are permitted.
Zur Herstellung dee erfindungsgemässen Brennelements werden. im wesentlichen zylindrische Brennstifte in einem kurzen, ihrem einen. Ende benachbarten, aber in einigem Abstand von ihm befindlichen Abschnitt zu einem rechteckigen Querschnitt verformt. AnschliessendL werden die Brennstifte in einer Seihe mit den kleineren Flächen des verformten Abschnitts eineinandergelegt und ein Verbindungsstift wird durch in den taeinanderliegenden Flachen vorgesehen© öffnungen durch die gesamte Brennet%treihe gesteckt. Sodann werden die Brennstifte an den St ossf lachen z. £. durch Kalt löten miteinander verbunden und bilden nunmehr eine Reihe integral verbundener Breaaaetifte. Hehrere Beinen von Brennstiften werden Seite an. Seite angeordnet uad bilden ein Brennelement. Wird ein entlüftetes Brennelement angestrebt, so kann der Tferbindungsatift in Fora eines Eolilrohrs ausgebildet sein, das über Radial6ffmingeii einen StrÖmungsaustausch des Brennstifts ermöglicht. Wenigstens ein Brennst if t in jeder Heine von Brenaastiften wird dann über ©ine äussere Samnelanordnuiig für die Abgase entlüftet«,For the production of the fuel assembly according to the invention. essentially cylindrical burning pins in a short, her one. End adjacent but some distance from deformed it located section to a rectangular cross-section. The firing pins are then placed in a Put the smaller faces of the deformed section together and a connecting pin goes through into the overlapping surfaces provided © openings through the entire row of burners inserted. Then the burning pins laugh at the buttocks £. by cold soldering together connected and now form a series of integrally connected Breaaaetifte. Taller legs of fuel pins become side at. Side arranged uad form a fuel assembly. Becomes a If a vented fuel element is sought, the Tferbindungsatift be formed in the fora of an Eolilrohrs, which over Radial 6ffmingeii a flow exchange of the fuel pin enables. At least one fuel in every line of Brenaa pencils will then be arranged for the exhaust gases vented «,
Anhand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with the aid of the drawings. It demonstrate:
Die Figur 1 ctde isometrische Ansicht eines einzelheit eijfin- dungsgemäss verformten Brennstifts j " '" 'a 'J*;>"'"'"" 'Λ'""FIG. 1 is an isometric view of a detail of a firing pin deformed in accordance with the invention j "'"' a ' J * ;> "'"'""' Λ '""
die Figur 2 im Längsschnitt de.n Zusammenbau exBei? Heuie von. in der Figup 1 gezeigten BrennstifteniFigure 2 in longitudinal section de.n assembly exBei? Hay from. fuel pins shown in Figure 1
909846/0 S3 \ 909846/0 S3 \
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die Figur 3 im Querschnitt die Brennstiftreihe der Figur 2 entlang der waagerechten Schnittlinie 3-3»FIG. 3 shows the row of fuel pins from FIG. 2 in cross section along the horizontal cutting line 3-3 »
die Figur 4 einen einzelnen Brennstift im Längsschnitt entlang der Schnittlinie 4-4 der Figur 2;FIG. 4 shows a single fuel pin in longitudinal section the section line 4-4 of Figure 2;
die Figur 5 die isometrische Ansicht von zwei erfindungsgemäss hergestellten und nach zwei verschiedenen Verfahren an · eine gemeinsame Sammelleitung angeschlossenen Brennstiftreihen. FIG. 5 shows the isometric view of two according to the invention and connected to a common collecting line by two different methods.
Die Figur 1 zeigt ein im übrigen bekanntes, rohrförmiges Gehäuse 1 für einen zylindrischen Brennstift, das benachbart aber in gewissem Abstand von seinem oberen Ende einen verformten Abschnitt 2 aufweist. Dieser besitzt einen rechteckigen Querschnitt mit den Seitenflächen 3 und 4 grösserer bzw. kleinerer Längen. Die Seitenflächen 3 sind auf eine Länge begrenzt, die grosser als der verbleibende kreisförmige Querschnitt des Gehäuses 1 ist, so dass entsprechend der Bestellung in den Figuren 1, 2 und 3 der verformte Afeselnitt 2 radial über den 3?eil mit kreisförmigem Quersetoitt ragt. Die Längensumme der Seitenflächen 3 und 4 "bleibt dem Umfang des verbleibenden Teils mit kreisförmiges schnitt annähernd gleich. Die Formung bzw. Verfos?stmg Bildung des rechteckigen Querschnitts des verformten Abschnitts 2 kann in bekannter Weise erfolgen. Nach Beschickung des Q-ehäuses 1 jrti den Brennstcfftabletten J? wird das untereFIG. 1 shows an otherwise known, tubular housing 1 for a cylindrical fuel pin, which has a deformed section 2 adjacent but at a certain distance from its upper end. This has a rectangular cross-section with the side surfaces 3 and 4 of greater or smaller lengths. The side surfaces 3 are limited to a length which is greater than the remaining circular cross-section of the housing 1, so that, according to the order in FIGS. 1, 2 and 3, the deformed attachment 2 protrudes radially over the 3-part with a circular transverse step. The length of the sum of the side surfaces 3 and 4 "remains approximately equal to the circumference of the remaining portion with circular section. The molding or Verfos? STMG forming the rectangular cross section of the deformed portion 2 can take place in a known way. After loading of the Q-ehäuses 1 jrti the Fuel tablets J? Becomes the lower one
909846/0531 - 5 -909846/0531 - 5 -
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
Ende der Rohre durch Anschweissen nicht gezeigter Abschlusskappen bekannter Ausführung verschlossen. Die Beschickung mit den in der Figur zur Veranschaulichung bereits gezeigten Brennstofftabletten 5 erfolgt dabei erst nachdem eine Anzahl von Brennstiften entsprechend der nachfolgenden Beschreibung erfindungsgemäss hergestellt und zu einer integralen gitterförmigen BrennelementeHanordnung zusammengebaut ist.End of the tubes closed by welding on end caps of known design, not shown. The loading with the fuel tablets 5 already shown in the figure for illustration purposes only take place after a number of fuel pins according to the invention according to the following description and an integral one Lattice-shaped fuel assembly is assembled.
Mehrere Rohrgehäuse 1 ähnlich wie in der Figur 1 gezeigt, jedoch ohne Brennstofftabletten 5 werden entsprechend der Figur 2 mit den Flächen 4 aneinanderliegend in einer Reihe angeordnet. Die in jeder Stossflache 4 vorgesehenen öffnungen fluchten dabei mit den enbsprechenden öffnungen benachbarter Gehäuse. Die öffnungen können vor der Anordnung der Gehäuse in einer Reihe oder danach vorgesehen werden, um eine,die Lagerung des durch sie geführten Verbindungssbifts gestattende, genaue Ausrichtung der Öffnungen zu erleichtern (vgl. die Figuren 2v 3 und 4). Der Sbift 7 kann fest oder, falls Entlüftung der Brennstifte angestrebt wird, hohl ausgebildet sein. Im letzteren Fall steht die Mittelbohrung 8 über die Radialöffnungen 9 mit dem Inneren eines jeden Brennstifts in Verbindung (vgl. die Figuren 2, 3 und 4). Der Sbift 7 und die öffnungen 6 sind für die Einführung des Stifts 7 in die gezeigte Lage dicht passend ausgebildet, um eine genaue Ausrichtung der Brennstifte von der metallurgischen Verbindung zu gewährleisten und die Gefahr des Entweichens gasförmiger Spaltprodukte aus den Brennstiften möglichst gering zu halten.Several tubular housings 1 similar to those shown in FIG. 1, but without fuel pellets 5, are arranged in a row in accordance with FIG. 2 with the surfaces 4 lying next to one another. The openings provided in each abutment surface 4 are aligned with the corresponding openings in adjacent housings. The openings can prior to placing the housing in a row or may be provided subsequently to one, the mounting of permitting through them out Verbindungssbifts, precise alignment to facilitate the openings (see figs. 2 v 3 and 4). The pin 7 can be solid or, if venting of the fuel pins is desired, hollow. In the latter case, the central bore 8 is connected to the interior of each fuel pin via the radial openings 9 (cf. FIGS. 2, 3 and 4). The pin 7 and the openings 6 are designed to fit the pin 7 into the position shown to ensure precise alignment of the fuel pins from the metallurgical connection and to minimize the risk of gaseous fission products escaping from the fuel pins.
9098A6/0S31 _6_9098A6 / 0S31 _ 6 _
Ein typisches Brennelement kann z. B. aus 15 Hefen von jeweils 15 Brennsbiften bestehen. Dabei wird jede Reihe einzeln gebildet, indem mehrere, z. B. 15 Brennstifte aneinander anliegend angeordnet werden und der Stift 7 durch die Reihe hindurchgesteckt wird. Eine Kappe 10 mit einem flachen Basisteil und einem aufwärtsgebogenen Randteil wird dann zwecks abdichtenden Verschlusses des oberen Endes der Brennstoffstifte in der dargestellten Weise auf jedes Gehäuse 1 gesetzt. Sodann werden die Kappen 10 mit den Gehäusen 1 und die einander anliegenden Flächen nifceinander durch Kaltlöten oder dergl. metallurgisch verbunden. In der gleichen Weise wird auch der Verbiiiduiigssbif t an der Einführungssbelle in die öffnungen 6 abgedichtet. Änschliess.end wird die Dichte der Verbindungsateilen in jeder Brennsbifbreihe mit Hilfe bekannter Leckprüfungsverfahren geprüft.A typical fuel assembly can e.g. B. from 15 yeasts of each 15 burning sticks exist. Each row is formed individually by adding several, e.g. B. 15 fuel pins together be arranged adjacent and the pin 7 through the Row is pushed through. A cap 10 with a flat Base part and an upwardly curved edge part is then to seal the upper end of the fuel pins onto each housing 1 as shown set. Then the caps 10 with the housings 1 and the adjacent surfaces are nifce one another by cold soldering or the like. Metallurgically connected. The verbiiduiigssbif t on the introductory bell in the openings 6 sealed. Then the density of the connecting parts in each fuel line with the help of known ones Leak test procedure checked.
Zwei verschiedene Möglichkeiben der Anordnung eines Kopfstückes zur Verbindung mehrerer Brennstiftreihen zwecks Bildung eines inbegralen Brennelements sind erläuterungshalber in der Figur 5 zusammen gezeigt. In der Praxis gelangt natürlich nur eine Anordnung in einem bestimmten Brennelement zur Anwendung. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist der Erfindungsgedanke hier an Hand von nur zwei Reihen einer begrenzten Anzahl von Brennstiften erläutert.Two different ways of arranging a head piece for connecting several rows of fuel pins to form an integral fuel assembly are for the sake of explanation shown together in FIG. In practice, of course, only one arrangement is achieved in a given fuel assembly to use. The idea of the invention is to simplify the drawing explained here on the basis of only two rows of a limited number of fuel pins.
9098A6/8 53 19098A6 / 8 53 1
' SAD ORtGISSIAL'SAD ORtGISSIAL
Nach eimer Ausgestaltung ist der am Ende der Reihe befindliche Brennstift 31 verlängert und mit einem verformten Abschnitt 12 versehen, der dem verformten Abschnitt 2 ähnlich, aber in seiner längenausdehnung im rechten Winkel zu diesem angeordnet ist· Der zweite verformte Abschnitt 12 ist mit de» entsprechenden zweiten verformten Abschnitt einer anliegenden Stiftreihe in der gleichen, weiter oben hinsichtlich der Verbindung der in einer Reihe von Brennstiften anliegenden Brennstifte beschriebenen ¥eise verbunden. Ein innerer Verbindungsstift 12 ist ähnlich de«. Stift ? durch den zweiten verformten Abschnitt geführt und dient, sofern entlüfteter Betrieb wünschenswert let, gleichzeitig als eine die gasförmigen Spaltprodukte der Brennstiftreihen aufnehmende Sammelleitung. Der zylindrische übergangsbereich 14 zwischen dem ersten und dem zweiten verfOPMten Abschnitt des Endstifts 11 ist hohl und erleichtert damit den Durchfluss des gasformigen Spaltprodukte zwischen den einzelnen Stiften. Einer der Endstifte 11 ist seinerseits über eine geeignete, nicht gezeigte, die Spaltproduktgase einer Vielzahl von Brennelementen eines neutronischen Reaktors Aufnehmende Sentralsaimslleitung entlüftet.According to the bucket configuration, the one at the end of the row is located Firing pin 31 is elongated and provided with a deformed section 12 which is similar to the deformed section 2, but in FIG its length extension is arranged at right angles to this · The second deformed section 12 is with the corresponding second deformed section of an adjacent row of pins in the same, above with regard to the connection of the in a row of burning pins adjoining burning pins described ¥ connected. An inner connecting pin 12 is similar to de «. Pen ? through the second deformed portion and serves, if ventilated operation is desirable, at the same time as one of the gaseous fission products of the Manifold accommodating rows of fuel pins. The cylindrical transition area 14 between the first and the second formed Section of the end pin 11 is hollow and thus facilitates the flow of the gaseous fission products between the individual pens. One of the end pins 11 is in turn via a suitable, not shown, the fission product gases a large number of fuel elements of a neutronic reactor receiving central air duct vented.
einer zweiten Atiisgöetaltung ist ein Ssmaelrohr 15 mit im Abstand angeordneten, und in einen Esuästif t X? in jeder Reihe von Brennstiften eingepasst®» rohrförmigen Verlängerungsstücken 16 versehen· Das Ssmmelrohr 15 ist seinerseits'wie in der zuvor beschriebenen Anordnung über ein nicht gezeigtes Zentralsammelrohr entlüftet»A second Atiisgöetaltung is a Ssmaelrohr 15 with spaced apart, and in a Esuästif t X? fitted in every row of fuel pins® »tubular extension pieces 16 provided · The tube 15 is in turn vented, as in the arrangement described above, via a central collecting tube (not shown)»
909848/0531 ~8~909848/0531 ~ 8 ~
Obgleich beide dieser Kopfstückanordnungen in der Zeichnung mit dem Endstift jeder Reihe von Brennstiften verbunden sind, sind andere Ausgestaltungen verwendbar, in denen z. B. andere Stifte innerhalb einer Reihe unmittelbar mit dem Kopfstück verbunden sind.Although both of these header assemblies are shown in the drawing are connected to the end pin of each row of fuel pins, other configurations are usable in which, for. B. Others Pins within a row directly with the head piece are connected.
Im Anschluss an die vorstehend erläuterten Herstellungssehritte werden Brennstofftabletten in das Rohrgehäuse über deren untere Enden eingeführt und diese sodann mit bekannten Verschlusskappen hermetisch verschlossen. Um die unteren Enden der Brennstifte sind zur Stabilisierung Abstandsringe 18 gelegt.Following the manufacturing steps explained above, fuel tablets are transferred into the tubular housing the lower ends of which are inserted and these are then hermetically sealed with known sealing caps. Around the lower ends Spacer rings 18 are placed on the fuel pins for stabilization.
Der beschriebene Aufbau führt zu einem integralen, aus Brennstiften aufgebauten Brennelement, das leicht herstellbar und infolge der Einfachheit und Zugänglichkeit der Schweißstellen auch leicht injizierbar ist. Ferner ist ohae Beschränkung hierauf der entlüftete Betrieb möglich.The structure described leads to an integral one made of fuel pins assembled fuel assembly, which is easy to manufacture and due to the simplicity and accessibility of the welds is also easily injectable. There is also no restriction then vented operation is possible.
9098^6/05319098 ^ 6/0531
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
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